碳碳复合材料(C/C)在火箭喷管喉衬上的应用

  固体火箭发动机的喷管是换能器,它将壳体内装药的化学能转变为动能,装药燃烧后产生的高温高压气体经收敛扩散从喷管以马赫数为3.0~4.5超音速喷出,从而产生推力,推动火箭飞行。固体火箭喷管由于要承受高达3500℃的燃气温度,5~15MPa的压力,且液、固体粒子冲刷,高温燃气的化学腐蚀,因而工作环境极为严酷。由于没有冷却系统,燃气的高温必须由其自身承担,特别是喉衬部分工作环境最为恶劣,且要求其尺寸不能因烧蚀冲刷而变化。否则喉径变大,压力随之下降,而压力下降,推力则下降,这是不能允许的。

  在50年代的第一代喷管多采用高强石墨作为喉衬。在60年代以“民兵”导弹作为代表的喷管多采用钨渗铜、渗银材料作为喉衬。到了70年代末以MX导弹(图1)为代表的喷管多采用C/C材料作为喉衬材料,而到了80年代由于C/C材料制造技术的进步,以三步叉戟导弹为代表,大部分战略导弹都采用了C/C喉衬、C/C扩散段等材料。到了90年代C/C螺钉、C/C销钉、C/C锁片等C/C制品陆续应用于固体火箭的喷管。

  C/C喉衬密度低,约为1.75~1.90g/cm3,与钨渗铜喉衬相比为其的1/8~1/10(其密度为17.6g/cm3)。其可根据不同的要求进行设计,其断裂因子为石墨的10~20倍,膨胀系数小,在2000~2400℃仅为4~5×10^-6/℃,导热系数可根据密度调节,可耐3800~4000℃的高温,抗氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体的腐蚀,在星角装药的发动机中喉衬烧蚀均匀,无腐蚀台阶、凹坑,更可贵的是在2500℃以下随着温度的升高强度上升,这是其它材料无可比拟的。

  C/C喉衬的成型工艺有多种方法,如整体碳毡、碳布预氧毡叠层针刺、三维编织、四维软硬混编、四向软编、四向硬编等,其编织密度为0.6~0.9g/cm3,碳毡密度0.12~0.15/cm3。根据要求不同可预先设计编织体的各向纤维含量。

  C/C喉衬的复合工艺有化学气相沉积,液态树脂沥青浸渍、碳化,化学液气相沉积。碳化方法有中压碳化、高压碳化。高温处理方法有真空石墨化、充气保护石墨化。这些方法可交义使用和循环使用,从而达到预定的热物理、机械和动态烧蚀性能指标。

  从事固体火箭发动机研制生产的国家从70年代初陆续采用了C/C喉衬。C/C喉衬的使用使发动机的冲质比、可靠性大幅度提高。同时从小尺寸的喉衬逐渐过渡到大型喉衬。一开始C/C喉衬内径仅为60~80mm,主要用于星系小型发动机,进而达到中100~200mm。

  到了90年代,以法国阿里安5号为代表的固体火箭喷管大型C/C喉衬内径尺寸达900mm,外径达1060mm,说明具备了制备大型C/C喉衬的能力。作者在俄罗斯看到的C/C喉衬内径达800mm,外径1000mm,与法国水平相当。我国从70年代将C/C喉衬应用于固体火箭发动机。到目前为止,战略导弹及大部分远射程战术导弹、星系发动机都使用了C/C喉衬,其性能与先进国家水平相近尚有差距。以1999年8月我国固体战略导弹试飞成功为标志,说明差距已缩小。

  以上这些C/C喉衬都使用了高于或相当于T300性能的碳纤维,多为3K、6KPAN基碳纤维。C/C喉衬对碳纤维的要求,不仅对强度、模量有要求且对碳纤维的断裂伸长、含碳量有较高的要求。从提高喉衬抗热震能力考虑,希望碳纤维有高的导热系数和低的膨胀系数。

 

  阅读延伸:《碳纤维固体火箭发动机壳体的成型技术